Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
„(6.13), показан на рис. 6.2. Принимая за ширину линии интервал частот Асо* на границах которого интенсивность в е раз меньше, чем в центре линии, получим
Me2 I Дш \2_ ,
W — ’ откуда для допплеровской ширины линии имеем
д 2со0 f 2kT ;о Y<V2> \ л\
Д® = ~Г У ~М~ = • Ь с • (6Л4)
Допплеровская ширина спектральных линий пропорциональна корню из абсолютной температуры газа. Так как допплеровская ширина значительно превышает естественную, то увидеть естественную ширину линии можно лишь в специальных условиях, например: наблюдая излучение пучка атомов в направлении, перпендикулярном их скорости.
§ 7. Излучение света нагретыми телами
Спектральный состав излучения отдельных возбужденных атомов представляет собой набор: сравнительно узких .линий. Это значит, что излучаемый разреженными газами или парами свет концентрируется в узких спектральных интервалах вблизи определенных частот, характерных для атомов каждого сорта.
Рис. 6.2. Контур спектраль-
564
АТОМ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Совсем иной вид имеет спектр излучения твердых и жидких тел, нагретых до высокой температуры. В этом излучении, называемом тепловым, присутствуют электромагнитные волны всех частот из очень широкого диапазона, т. е. его спектр является сплошным.
Чтобы получить представление о характере теплового излучения, рассмотрим несколько тел, нагретых до различной температуры, помещенных в замкнутую полость, внутренние стенки которой полностью отражают падающее на них излучение. Опыт показывает, что такая система рано или поздно приходит в состояние теплового равновесия, при котором все тела приобретают одинаковую температуру. Так происходит и в том случае, если внутри полости будет абсолютный вакуум и тела могут обмениваться энергией только путем излучения и поглощения электромагнитных волн. Это позволяет применить при изучении такой системы законы термодинамики. В равновесии все тела в единицу времени поглощают столько же энергии электромагнитных волн, сколько излучают, а плотность энергии излучения, заполняющего полость, достигает некоторой определенной величины, соответствующей установившейся температуре. Такое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с телами, имеющими определенную температуру, называется равновесным или черным излучением. Не только плотность энергии, т. е. полная энергия единицы объема, но и спектральный состав равновесного излучения, заполняющего полость, зависит только от температуры и совершенно не зависит от свойств тел, находящихся в полости.
Для экспериментального изучения спектрального состава равновесного излучения можно проделать небольшое отверстие в окружающей полость оболочке. Излучение, выходящее наружу через отверстие, хотя и не является равновесным, обладает тем не менее в точности таким же спектральным составом, что и заполняющее полость равновесное излучение. Выходящее из отверстия излучение отличается от равновесного только тем, что оно не .является изотропным, так как распространяется в определенном направлении.
Если увеличивать температуру в полости, то будет возрастать уносимая выходящим" из отверстия излучением энергия. Это. означает, что объемная плотность энергии
§7. ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА НАГРЕТЫМИ ТЕЛАМИ
565
равновесного излучения растет с температурой. Этот рост происходит очень быстро, как мы увидим ниже, пропорционально четвертой степени абсолютной температуры, С увеличением температуры изменяется и спектральный состав излучения, причем таким образом, что максимум смещается в область более коротких волн: выходящий из отверстия в горячей печи свет имеет красноватый оттенок при сравнительно невысокой температуре и становится желтым и даже белым по мере ее роста.
Что можно увидеть, заглянув через отверстие внутрь полости, в которой излучение находится в равновесии с телами? Так как свойства выходящего из отверстия излучения при тепловом равновесии не зависят от природы находящихся внутри полости тел, то излучение не может, нести никакой информации об этих телах, кроме их температуры. И действительно, заглянув внутрь печй, мы не увидим ни предметов на фоне стенок полости, ни самих стенок, хотя в глаз будет попадать много света. Контуры предметов внутри полости не будут видны, все будет представляться одинаково светлым.
Возможность различать предметы появляется только при использовании неравновесного излучения. Если даже это излучение исходит от раскаленных тел и его спектральный состав близок к равновесному, температура излучающей поверхности должна быть выше температуры освещаемых предметов.
Равновесное тепловое излучение можно рассматривать, как газ, состоящий из фотонов. Фотонный газ является идеальным, так как разные электромагнитные^ волны в вакууме при распространении не взаимодействуют друг с другом. Поэтому установление теплового равновесия в фотонном газе возможно только при наличии материальных тел. Механизм установления теплового равновесия заключается в поглощении одних и испускании других фотонов веществом. Возможность поглощения и испускания фотонов приводит к характерной особенности фотонного газа: число частиц в нем не является постоянным, а само определяется из условия термодинамического равновесия.
